燃煤锅炉过量空气系数应用技术探讨

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  [摘 要]过量空气系数是评价燃煤锅炉运行的重要热工指标和燃烧技术经济指标。在分析过量空气系数与燃煤锅炉污染物浓度关系的基础上,探讨了过量空气系数折算后污染物浓度科学性问题以及烟道漏风系数与污染物排放浓度的关系、过量空气系数与锅炉配风的关系、过量空气系数与燃煤锅炉清洁生产的关系。
  [关键词]燃煤锅炉;过量空气系数;烟道漏风系数;污染物排放浓度;锅炉配风;清洁生产
  中图分类号:TK229.6 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)21-0364-01
  燃煤锅炉是排放大氣污染物烟尘、二氧化硫及氮氧化物的主要污染源。目前环境监测部门对燃煤锅炉大气污染物烟尘、二氧化硫及氮氧化物减排监测与评价的主要技术依据是《固定源废气监测技术规范》(HJ/T397-2007)、《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)及《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2001)(以下简称技术规范和排放标准)。在“技术规范和排放标准”中,过量空气系数作为燃煤锅炉污染物排放浓度测试中的一个重要测试参数,参与污染物排放浓度的计算。本文首先分析燃煤锅炉运行时过量空气系数与污染物排放浓度的关系,在此基础上,探讨过量空气系数折算结果的科学性问题以及烟道漏风系数与污染物排放浓度的关系、过量空气系数与燃煤锅炉配风的关系、过量空气系数与燃煤锅炉清洁生产及节能减排的关系。
  1 过量空气系数与污染物排放浓度的关系
  燃煤锅炉运行时,为确保煤炭完全燃烧,必须供给过量的空气,一般把超过理论空气量而多供给的空气量称为过剩空气量,并把实际空气量与理论空气量之比定义为过量空气系数。过量空气系数是反映燃煤与空气配合的一项数值,是衡量锅炉配风的尺度,它是评价燃煤锅炉运行非常重要的热工指标和燃烧技术经济指标。
  目前绝大部分燃煤锅炉为负压运行。在规定的锅炉污染物排放测试负荷下,锅炉炉膛内过量空气系数大,表明鼓风机供风量、锅炉本身漏风量、省煤器漏风量和空气预热器漏风量大。研究表明,炉膛内过量空气系数过大,会使炉温降低,恶化燃烧,导致烟气中烟尘排放浓度、氮氧化物排放浓度增大,同时,烟气中部分二氧化硫将转化为三氧化硫,即二氧化硫排放浓度减少,三氧化硫浓度增大[1]。也就是说,鼓风机过多的供风量、锅炉炉体漏风量、省煤器漏风量及空气预热器漏风量增大了锅炉燃烧污染物锅炉烟尘、三氧化硫、氮氧化物的排放浓度。
  2 过量空气系数折算结果分析
  燃煤锅炉污染物实际测试工作中,污染物排放测试点一般设在锅炉排烟烟道上。此处烟气中的过剩空气量,既包括鼓风机所供过剩空气量、锅炉炉体漏风量、省煤器漏风量与空气预热器漏风量,又包括排烟烟道的漏风量。如前所述,鼓风机所供过剩空气量、锅炉炉体漏风量、省煤器漏风量与空气预热器漏风量过大,即炉膛内过量空气系数过大,对锅炉燃烧物排放具有增大作用,而排烟烟道漏风仅增大烟道中烟气量,仅对锅炉污染物起到稀释作用。可见,测试点处的过量空气系数,包含了对锅炉污染物排放的两个相反的作用。
  在过量空气系数过大情况下运行的锅炉,其污染物排放浓度较基准(最佳)过量空气系数下运行时污染物排放浓度大得多,而“技术规范和排放标准”关于将实测过量空气系数时的污染物浓度折算为基准过量空气系数时的污染物浓度的规定,折算结果又人为增大了污染物排放浓度。如此规定,忽视了过量空气系数过大对锅炉污染物的增大作用,也没有将烟道漏风对锅炉污染物的稀释作用表示出来。显然,这种人为的硬性规定,没有科学性,折算后的结果没有明确的物理意义。
  3 煙道漏风系数与污染物排放浓度的关系
  对于负压运行的燃煤锅炉来说,烟道漏风表现为烟气量增加,漏风量即为进入烟道的空气量。通常烟道漏风情况用漏风系数表示。漏风系数等于烟道任意两点过量空气系数的差。漏风系数越大,表示烟道漏风越严重。烟道漏风增大的烟气量必然对烟气中污染物起到稀释作用。因此,实际测试工作中,要判定烟道是否漏风,必须测定烟道相距一定距离两点的过量空气系数,然后计算此两点处的过量空气系数之差,其绝对值大于零,则表示烟道漏风。通常,判定烟气处理设施之前烟道漏风情况的方法是:计算锅炉炉膛出口处过量空气系数与烟气污染物排放浓度测试点处过量空气系数的差。判定烟气处理设施之后烟道漏风情况的方法是:计算烟气处理设施出口处过量空气系数与烟气污染物排放浓度测试点处过量空气系数的差。
  4 过量空气系数与燃煤锅炉配风的关系
  目前我国拥有燃煤锅炉大约有50万台,调查表明,绝大多数锅炉未能经济运行,突出表现为运行时过量空气系数过大,即排烟烟道处的过量空气系数往往大于燃煤锅炉经济运行时的最佳过量空气系数(比如链条炉排锅炉经济运行时的最佳过量空气系数为1.6)。
  燃煤锅炉运行时过量空气系数过大,主要原因是由锅炉不合理配风造成的。锅炉不合理配风首先表现为鼓风机、引风机与锅炉的匹配失调。有许多锅炉在设计安装时,设计人员思想保守,认为大的风机保险而配备风量大的风机,从而形成“大马拉小马”的情况。在这种情况下,即使锅炉满负荷运行,炉膛内过量空气系数也表现的非常大,远远超过经济运行时的最佳过量空气系数。
  燃煤锅炉不合理配风其次表现为锅炉运行时供风方式落后。许多锅炉运行时采用鼓、引风量不变的供风方式,即锅炉在起炉和正常运行时鼓、引风阀门保持同一较大的状态。司炉工在燃烧操作时,仅据锅炉负荷的变化,调整燃煤量,而不调整鼓、引风阀门控制风量。因此,当锅炉低负荷运行时,由于燃煤量小,而导致炉膛内的过量空气系数非常大;而当锅炉在高负荷运行时,由于燃煤量大,而导致炉膛内的过量空气系数相对较小。
  5 过量空气系数与清洁生产节能减排的关系
  研究表明,如果燃煤锅炉运行时,炉膛过量空气系数降低0.1,则排烟热损失减少0.5%,锅炉热效率提高0.5%,节煤0.25%[2]。如果说“技术规范和排放标准”将实测过量空气系数时的污染物排放浓度折算至一个理论上表征锅炉经济运行的基准过量空气系数时的污染物排放浓度,是为了强制锅炉使用单位重视锅炉经济运行进而达到节能减排目的,但通过上述分析我国燃煤锅炉未经济运行的现状,就可知这样的规定(技术要求)是一厢情愿的。与锅炉经济运行相比,锅炉使用单位更重视锅炉污染物的达标排放。污染物达标排放是法律要求,也是满足污染物排放总量控制这一法律要求的前提。因此,锅炉使用单位一般不会重视过量空气系数在减排监测中的折算作用。这是造成我国燃煤锅炉不能经济运行的主要原因。
  燃煤锅炉的经济运行是个技术含量较高的问题,解决这个问题,必须从法律上、管理上、技术上下很大的功夫。笔者认为,宜将燃煤锅炉经济运行时的最佳过量空气系数作为锅炉运行时的清洁生产指标,而作为锅炉建设项目设计、治理验收、日常监督的依据。将促使锅炉经济运行的技术要求上升到法律要求的高度,这样才有可能达到锅炉经济运行节能减排的目的。目前哈尔滨市用于生产和取暖的链条炉排锅炉有2000台,年燃煤量1000万吨,监测表明,绝大部分锅炉一般正常运行时炉膛出口排烟处过量空气系数一般在3.0左右。锅炉在过量空气系数3.0的情况下运行,意味着较最佳过量空气系数1.6运行时多耗煤35万吨/年。可见,燃煤锅炉节能减排潜力巨大。
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